Il corso si propone di presentare tecniche di analisi di impianti per la conversione di energia finalizzate all’utilizzo ottimale dell’energia primaria, attraverso integrazione di processo e design improvement. Il corso è articolato in lezioni ed esercitazioni. Nelle lezioni si illustrano le tecniche di modellazione di impianti energetici complessi, nonché i metodi di analisi quali la pinch analysis e l’analisi exergetica. Inoltre sono approfonditi gli aspetti impiantistici ed energetici relativi ad alcune tecnologie, che costituiranno poi l’oggetto delle esercitazioni. Nelle esercitazioni si propone l’applicazione le tecniche di analisi ad alcuni casi di studio.

Acquisire conoscenza delle tecniche di analisi di impianti di conversione energetica finalizzate a valutare le opportunità di miglioramento delle loro prestazioni attraverso integrazione di processo, ottimizzazione e design improvement. Acquisire l’abilità di applicare correttamente le metodologie indicate a impianti di conversione dell’energia.

Termodinamica applicata e trasmissione del calore

Introduzione al corso. Breve cenno all’evoluzione degli scenari energetici e alle tematiche di ricerca in ambito energetico, con particolare riguardo agli impianti industriali. Ruolo dell’integrazione, ottimizzazione e design improvement di processi energetici. (3 h di lezione)
Il metodo della pinch analysis. Analisi del processo produttivo e determinazione dei vincoli del processo. Individuazione dei principali flussi e costruzione grafica della curva composita. Scelta della minima differenza di temperatura; implicazioni termodinamiche ed economiche. Determinazione del pinch point per via grafica. Calcolo del pinch point per via analitica. Rappresentazione di una rete di scambiatori di calore. Regole per il tracciamento della rete di scambiatori corrispondente al minimo fabbisogno di energia. Il minimo numero di scambiatori di calore: cenno alla teoria dei grafi. Determinazione della rete corrispondente al minimo numero di scambiatori di calore. Rilassamento del sistema. (20 h di lezione).
Applicazione del metodo della pinch analysis a impianti di produzione industriale ed impianti per la conversione di energia: esempi nell’ambito dell’industria alimentare e chimica, impianti innovativi per la termovalorizzazione di rifiuti solidi urbani, cicli integrati di celle a combustibile ad alta temperature (FC+ORC, FC+GT), sistemi di retrofit per la cattura di CO2. (12 h di esercitazione).
Analisi exergetica. Determinazione dell’equazione dell’energia utilizzabile. L’ambiente di riferimento. Calcolo dell’exergia fisica e chimica. Utilizzi dell’analisi exergetica nel design improvement di impianti energetici. Costing exergetico. (15 h lezione).
Applicazione dell’analisi exergetica a sistemi quali teleriscaldamento (dimensionamento e calcolo di una rete di teleriscaldamento, analisi di reti a bassa temperatura, analisi di utenze a bassa temperatura, third pary access, accumulo termico), impianti a pompa di calore e loro integrazione in processi industriali, geotermia. (10 h esercitazione).

Sono previste esercitazioni in aula finalizzate all’applicazione delle metodologie proposte a impianti industriali e impianti per la conversione di energia. Tali esercitazioni hanno il duplice scopo di consentire la familiarizzazione dello studente con gli strumenti di analisi exergetica e della pinch analysis, approfondendo gli aspetti relativo al loro utilizzo per miglioramento delle prestazioni di progetto e operative di impianti reali.

Libro di testo: Verda, Guelpa. Metodi termodinamici per l’uso efficiente delle risorse energetiche. Esculapio
Dispense integrative fornite dal docente.

L’esame è unicamente scritto ed è composti da due parti:
- due esercizi, uno sulla analisi exergetica e uno sulla pinch analysis. Tale parte ha lo scopo di valutare la capacità dello studente di applicare le tecniche di analisi viste a lezione ed esercitazione.
- tre domande che vertono sugli aspetti teorici sia delle tecniche di analisi sia delle specifiche tecnologie analizzate durante il corso. Tale parte ha lo scopo di valutare le conoscenze acquisite non valutabili attraverso gli esercizi numerici.
La votazione tiene conto per 9/10 degli esercizi e per la restante parte delle domande.